计算机网络（29）网络地址转换NAT

前言

网络地址转换（Network Address Translation，NAT）是计算机网络中的一种重要协议，它主要用于将私有IP地址转换为公共IP地址，以实现内部网络与外部网络之间的通信。

一、基本概念

NAT是一种在局域网（LAN）和广域网（WAN）之间执行地址转换的机制。它允许单个设备（如路由器）充当Internet（或公共网络）和本地网络（或专用网络）之间的代理。通过NAT，内部网络的设备可以使用私有IP地址，而这些地址在转换过程中被映射到公共IP地址上，从而允许内部网络中的设备访问外部网络，同时隐藏内部网络的真实IP地址。

二、工作原理

包检查和转换：NAT设备会检查从内部网络进入的数据包，并对数据包中的源IP地址和目的IP地址进行转换。当数据包从内部网络发往外部网络时，NAT会将数据包的源IP地址由私有地址转换成公共地址。相反，当响应的数据包从外部网络返回内部网络时，NAT会将数据包的目的IP地址由公共地址转换成私有地址。
路由和转发：经过转换后，NAT设备会将数据包从私有网络发送到公共网络，或从公共网络发送到私有网络。
状态维护：NAT设备会维护一个转换状态表，记录每个转换的连接信息，如源IP地址、目的IP地址、转换后的IP地址以及端口号等。这个状态表用于跟踪每个活动的连接，并确保数据包能够正确地被转发和返回。

三、类型

静态NAT（Static NAT）：静态NAT将内部网络中的私有IP地址与一个固定的公共IP地址进行一对一的映射。这种方式适用于需要将特定的私有IP地址映射到固定的公共IP地址的场景，例如内部服务器对外访问。
动态NAT（Dynamic NAT）：动态NAT将内部网络中的私有IP地址动态地映射到可用的公共IP地址中，根据具体的需求和网络负载进行分配。这种方式适用于需要从一个共享的公共IP资源池中动态地分配IP地址的场景。
端口地址转换（PAT，也称为NAT过载或重载NAT）：PAT通过使用端口号来区分不同的内部网络设备，将多个私有IP地址映射到一个公共IP地址上。这种方式适用于需要将多个内部网络设备映射到一个公共IP地址的场景，例如家庭网络或小型办公网络。在PAT中，路由器为私有IP地址和端口的每个唯一组合保留一个NAT表条目，并转换为全局地址和唯一的端口号。
双向NAT（Bi-directional NAT）：双向NAT用于将内部网络的私有IP地址映射到不同的公共网络上，使得两个网络之间可以互相通信。这种方式适用于需要实现不同网络之间的双向通信的场景，例如分支机构与总部网络之间的连接。

四、应用场景

减缓IP地址空间的消耗：通过NAT，可以将多个内部设备映射到一个或少数几个公共IP地址上，从而减缓了IPv4公共地址的消耗。
提高网络安全性：NAT作为一种防火墙功能的一部分，提供了一定程度的网络安全保护。它隐藏了内部网络和设备的真实IP地址，减少了暴露在外部网络中的风险。
网络管理简化：通过使用NAT，可以简化网络管理，减少IP地址分配和配置的复杂性。NAT允许内部网络使用私有地址空间，而无需向ISP或注册中心申请公共IP地址。

五、优缺点

优点：

地址保留：NAT允许内部网络使用私有IP地址，从而保留了全球唯一的公共IP地址空间。
安全性增强：NAT隐藏了内部网络的真实IP地址，提供了一定程度的网络安全保护。
网络管理简化：NAT简化了IP地址的分配和管理过程。

缺点：

对等连接限制：由于NAT使用IP地址和端口的转换，可能会对某些应用程序或服务造成不便，特别是对需要进行对等连接的应用程序（如P2P）或需要在外部网络中公开服务的应用程序（如Web服务器）。
QoS问题：在NAT中，如果没有适当的配置和管理，可能会导致网络负载不平衡、连接断开和性能下降等问题。
网络识别和分析困难：NAT会隐藏内部网络的真实IP地址，这使得对网络流量进行监测、识别和分析变得困难。